23. Особливості конструювання і розрахунку попередньо-напружених елементів

23.1. Суть попередньо-напруженого залізобетону

1. Визначення і галузь використання. Попередньо напруженими називаються такі залізобетонні елементи, у яких під час виготовлення, тобто до прикладання навантажень, штучно створюються внутрішній напружений стан, який полягає у значному обтиску бетона, яке досягається найчастіше розтягом арматури.

Переднє напруження використовують у елементах, в бетоні яких під час експлуатації виникають розтягу вальні напруження: у елементах, які працюють на осьовий і позацентровий розтяг, згинальних; позацентрово-стиснутих (переважно у разі великих ексцентриситетів).

Попереднє напруження підвищує тріщиностійкість і жорсткість конструкцій, створює можливість використання високоміцної арматури.

Відомо, що гранична розтягуваність бетонів не перевищує 0,15 – 0,2 мм/м. Оскільки бетон і сталь працюють сумісно, напруження у арматурі перед утворенням тріщин у бетоні становлять не більше _s=_bЕ_s= 0,0002210⁵=40МПа, що у декілька разів менше від напружень експлуатаційних навантажень. Тому у бетоні навіть при _b=150…170МПа утворюються тріщини розкриттям 0,1–0,2мм., зі збільшенням напружень у арматурі розкриття тріщин зростає, і при напруженнях 400–500 МПа у бетоні утворюються тріщини недопустимого розкриття, що призводить до значного зниження жорсткості елементів.

Отже, ефективне використання високоміцних сталей у звичайному залізобетоні неможливо через дуже велике розкриття тріщин і пов’язаного з цим швидким зростанням деформацій, а також безпеки корозії арматури.

Основні переваги попередньо-напружених конструкцій – висока тріщиностійкість і жорсткість, завдячуючи чому можна раціонально використовувати високоміцні сталі і бетони, застосування яких дає змогу скоротити витрати арматури на 30–70% порівняно із звичайним залізобетоном. Витрати бетону і маса конструкцій також значно знижуються.

У попередньо-напружених конструкціях сьогодні знаходять практичне використання бетони класів В40, В50, В60 і арматура із дроту з тимчасовим опором 2000МПа.

Застосування високоміцних матеріалів дає змогу значно зменшити поперечні перерізи залізобетонних виробів, що здешевлює їх, оскільки вартість бетону і сталі зростають повільніше ніж їхня міцність.

Попереднє напруження розширило галузь раціонального застосування залізобетону, дозволивши збільшити прольоти конструкцій.

До недоліків попередньо-напружених залізобетонних конструкцій необхідно зарахувати вищу трудомісткість їх виготовлення, необхідність у спеціальному обладнані, а також високу кваліфікацію робочих.

2. Способи виготовлення попередньо напружених елементів. Попередньо-напружені конструкції можна виготовляти з натягом на упори до бетонування (рис.23.1) або на бетон після його твердіння (рис.23.1).

Існує декілька способів арматури: механічний, електромеханічний, електротермічний і фізико-хімічний (самонатягування).

У разі механічного способу арматуру натягують гідравлічними домкратами, які розвивають великі зусилля (500т і більше), з достатньо точними вимірюваннями сили натягу, гвинтовими домкратами, намотувальними машинами, вантажними натягу вальними машинами тощо.

Найширше застосовують гідравлічні домкрати двох типів: домкрати подвійної дії – натяг арматури із закріпленням її у напруженому стані.

У разі натягу арматури домкратом одиничної дії (рис. 23.3) домкрат приставляють опорним штоком до упору стенда, до торця опалубкової форми або до поверхні затверділого бетону конструкції, а захватне пристосування домкрата з’єднують з кінцями арматури, яка підлягає натягу. Потім насосом нагнітають масло у циліндр домкрата; поршень домкрата пересувається під тиском масла і захватне пристосування натягує арматуру. Коли зусилля у арматурі досягло заданої величини, арматуру закріплюють, тиск масла у циліндрі знижують до атмосферного, захватне пристосування від’єднують від арматури і знімають домкрат.

Домкрати подвійної дії (рис. 23.4), які використовують тільки під час натягу на бетон, оснащені двома циліндрами і двома поршнями. У процес арматури до заданого зусилля долучається другий циліндр, і другий шток заклинює натягнену арматуру у анкерній колодці за допомогою клин-пробки.

Ступінь натягу арматури контролюється за показами тарованих манометрів і за видовженнями арматурами або спеціальними приборами.

Інші механічні пристрої для натягу арматури – гвинтові домкрати, вантажні натяжні і намотувальні машини, які використовуються для неперервного армування, – менш досконалі. Доволі ефективний спосіб неперервного армування, запропонований проф. В.В.Михайловим. За цим способом намотування високоміцного дроту на упори або безпосередньо на затверділий бетон конструкцій виконують на поворотному столі, схема якого показана на рис. 23.5. Цим способом виготовляють попередньо-напружені конструкції з одноосним і двохосним напруженим станом – балки, панелі, труби тощо.

Неперервне армування напруженою обмоткою з успіхом використовують також під час виготовлення попередньо-напружених циліндричних резервуарів, використовуючи обмотувальні пересувні машини.

Електротермічний спосіб натягу арматури останніми роками набув значного поширення, завдячуючи простоті, економічності і меншій трудомісткості його порівняно з механічним способом. Сьогодні цим способом виготовляють приблизно 75% всього виготовленого напруженого залізобетону.

Суть електромеханічного способу натягу арматури полягає у тому, що арматурну заготовку (стрижневу, дротяну або пасмову), нагрітим електричним током до потрібного видовження, закріпляють у нагрітому стані у жорстких упорах або на торцях затверділого бетону (елемента). Упори і торці утруднюють скорочення заготовки під час остигання, завдячуючи чому у ній виникає задане розтягувальне напруження. Арматурну заготовку ( рис.23.6), яка призначена для натягу на упори форм, підпонів або стендів, постачають на кінцях анкерами, розташованими так, що відстань між внутрішніми (опорними) площинами анкерів була на задану величину, менша від віддалі між зовнішніми гранями упорів. Видовжена заготовка повинна вільно вкладатись у нагрітому стані між упорами.

Для стрижневої арматури максимальна температура нагрівання не повинна перевищувати 350, а для дротяної – 300⁰С.

Електромеханічний (комбінований) спосіб натягу поєднує у собі електротермічний і механічний способи натягу, здійснені одночасно.

За електромеханічного способу натягу близько 50% напруження забезпечується механічним натягом, 50 під час вистигання нагрітого дроту, це у два рази збільшує продуктивність машин, полегшує їхню конструкцію, дозволяє підвищити контрольоване попереднє напруження. Особливо ефективний цей спосіб під час натягу арматури на затверділий бетон криволінійних елементів, оскільки він дозволяє знизити нерівномірність натягу і зменшити втрати натягу внаслідок тертя.

Під час фізико-хімічного способу натягу арматури досягається внаслідок розширення бетону, який приготовлений на спеціальному напруженому цементі (НЦ). Такий цемент складається із двох компонентів. Структура першого із них – портлондцементу – схильна під час твердіння внаслідок усадки скорочуватись у об’ємі.

Рис. 23.1. Схема натягу арматури на упори: a – арматура на упори закріплена, натягнута; бетон не вкладений; b – бетон затвердів, арматура звільнена від зв’язку з упорами – конструкція обтиснута; 1 – упори; 2 – натягувальні механізми; 3 – натягувальна арматура; 4 – анкери; 5 – попередньо напружена арматура.	Рис. 23.2. Схема натягу арматури на бетон: a – бетон затвердів; арматура натягкється одночасно з обтиском бетону; b – бетон обтиснутий, арматура закріплена, канал заінецірован; 1 – затверділий, але ще не обтиснутий бетон; 2 – напружена арматура; 3 – незаінецірован канал; 4 – натягувальні механізми; 5 – попередньо напружена конструкція; 6 – заіненцірован канал; 7 – анкери.

Рис. 23.3. Домкрат одинарної дії.

Структура другого – компонента, що розширюється, – здатна під час зволоження сильно розширюватись, компенсувати усадку портландцементу і створити додаткове збільшення об’єму без послаблення і руйнування структури бетону. За наявності арматури виникає саме напруження: арматура розтягується, а бетон внаслідок невільного розширення стискується. Цей дуже перспективний спосіб попереднього напруження конструкцій у нашій країні почали застосовувати у практиці будівництва.

За останні роки в Україні та інших країнах самонапружений залізобетон використаний у деяких конструкціях і спорудах. Побудовано низку збірних резервуарів для води із самонапруженими стиками; на високогірному льодовому стадіоні “Медео” (поблизу м. Алма-Ати) споруджена безшовна залізобетонна охолоджувальна плита площею 12,5тис.м²; діють технологічні лінії з випуску самонапружених залізобетонних низьконапірних і напірних труб; зведені аеродромні і дорожні покриття, оболонка діаметром 160м для покриття гаражу, підземні споруди різного призначення, автодорожні мости із само напруженою гідроізоляцією проїжджої частини; виготовлені елементи об’ємно-блокового домобудування, панелі без рулонних покрівель тощо.

Важливе значення мало застосування самонапружених конструкцій у будівництві і реконструкції спортивних споруд для Олімпіади-80; стадіонів ім. В.І. Леніна, “Динамо” і “Ізмайлово” у Москві і ім. С.М.Кірова у Ленінграді тощо.